化工过程全周期设计裕量消耗在线估计与裕量缓释操作优化

Chemical processes generally have slowly-time-varying characteristic, and the changes of slowly-time-varying parameters in an operating cycle of chemical plants gradually decrease chemical plant performance. The design margins are often determined according to the worst-case influence of various uncertainties, but the design margins must make up the influence of slowly-time-varying parameters and serve control requirement, the releasing of design margins is a long dynamic process, so the economic benefits of operation optimization explored from the remainder margins are shrinking gradually. Therefore, the slowly-time-varying parameters are on-line estimated by kalman filter, the consumed margins involving process margins (for slowly-time-varying parameters) and control margins (for operation and control) in an operating cycle are estimated through on-line optimization. Based on the remainder margins, the economic benefits of operation optimization (including the maximum potential benefits and achievable benefits) are estimated on-line according to the space between operating point and active constraints, so the margin-slowly-releasing operation optimization is implemented for the maximum achievable benefits at as low cost as possible, and a long period optimum operation scheme can be planed.

化工过程中普遍存在慢时变特性，在一个运行周期内慢时变参数的缓慢变化造成过程性能逐渐下降。过程设计时一般按照不确定因素可能的最坏影响确定设计裕量，但实际过程中设计裕量需弥补慢时变参数的坏影响和满足操作与控制要求，需要缓慢释放，通过操作优化获得的经济效益也是逐渐减小的。为此，采用卡尔曼滤波器对化工过程的慢时变参数进行在线观测，基于慢时变参数的动态变化规律，考虑不可测干扰和控制系统的动态过程，对一个运行周期内工艺裕量（弥补慢时变参数的影响）和控制裕量（服务于操作控制）的实际消耗情况进行在线估计，然后基于一个运行周期内裕量剩余情况，根据操作点与有效约束之间的距离对操作优化的经济效益（包括潜在经济效益和可实现经济效益）进行在线估计，在保证弥补慢时变参数的坏影响和满足操作与控制要求的前提下，实现裕量缓释操作优化，以尽可能少的裕量消耗追求最大可实现经济效益，给出化工过程全周期操作优化方案。

化工过程中普遍存在慢时变特性，在化工装置的一个运行周期内慢时变参数的缓慢变化造成化工装置性能逐渐下降，操作点将渐渐偏离稳态优化设计点，最终超出过程约束的限制、无法满足生产要求。为此，过程设计时需要对设计变量留出足够的裕量，使操作点与过程约束之间存在足够的距离，保证慢时变参数“变坏”后化工装置仍可正常工作。但过程设计时一般是按照慢时变参数可能的“最坏”影响来确定设计裕量，而慢时变参数的“变坏”是缓慢逐渐变化的，造成设计裕量剩余并为操作优化提供了可能，同时操作优化的经济效益将是逐步衰减的。为此，采用卡尔曼滤波器对化工过程的慢时变参数进行在线观测，基于慢时变参数的动态变化规律，考虑不可测干扰和控制系统的动态过程，对一个运行周期内工艺裕量（弥补慢时变参数的影响）和控制裕量（服务于操作控制）的实际消耗情况进行在线估计，然后基于一个运行周期内裕量剩余情况，根据操作点与有效约束之间的距离对操作优化的经济效益（包括潜在经济效益和可实现经济效益）进行在线估计，在保证弥补慢时变参数的坏影响和满足操作与控制要求的前提下，实现裕量缓释操作优化，以尽可能少的裕量消耗追求最大可实现经济效益，给出化工过程全周期操作优化方案。对慢时变过程设计裕量的释放机制进行了分析，考虑含慢时变参数的全周期操作优化通用动态模型，通过最优控制的极小值原理求解该优化问题，建立了最优裕量释放轨迹和慢时变参数变化曲线之间的联系，从而证明最优裕量释放只与慢时变化工过程的运行周期有关。裕量缓释操作优化方法应用于乙炔加氢反应器，保证了足够的安全操作裕量，优化结果的经济效益略低于未考虑裕量缓释的操作优化的经济效益，但大大高于未实施操作优化的经济效益，实现了获得最大经济效益和维持系统稳定运行之间的平衡。